KR102629500B1 - 슬라이딩 부재 - Google Patents
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Abstract
[과제] 저속 회전으로부터 펌핑 작용을 발휘할 수 있음과 동시에, 밀봉 기능 및 윤활 기능을 발휘할 수 있는 슬라이딩 부재를 제공한다.
[해결 수단] 슬라이딩면(S)에서 서로 상대 슬라이딩하는 한 쌍의 슬라이딩 부재(3, 5)로서, 적어도 한쪽의 슬라이딩면(S)은 동압 발생 기구(11)를 구비하고, 동압 발생 기구(11)의 곡률은 당해 동압 발생 기구(11)의 유로 길이에 비례하여 증대하도록 설정된다.
[해결 수단] 슬라이딩면(S)에서 서로 상대 슬라이딩하는 한 쌍의 슬라이딩 부재(3, 5)로서, 적어도 한쪽의 슬라이딩면(S)은 동압 발생 기구(11)를 구비하고, 동압 발생 기구(11)의 곡률은 당해 동압 발생 기구(11)의 유로 길이에 비례하여 증대하도록 설정된다.
Description
본 발명은, 예를 들면, 메커니컬 시일, 베어링, 그 외, 슬라이딩부에 적합한 슬라이딩 부재에 관한 것이다. 특히, 슬라이딩면의 마찰을 저감시킴과 동시에, 슬라이딩면으로부터 유체가 누설되는 것을 방지할 필요가 있는 밀봉환 또는 베어링 등의 슬라이딩 부재에 관한 것이다.
슬라이딩 부재의 일례인, 메커니컬 시일에 있어서, 밀봉성을 장기적으로 유지시키기 위해서는, 「밀봉」과 「윤활」이라는 상반되는 조건을 양립시키는 기술이 있다. 예를 들면, 서로 상대 슬라이딩하는 한 쌍의 슬라이딩 부재에 있어서, 슬라이딩 부품의 슬라이딩면에 스파이럴 홈을 마련하고, 당해 스파이럴 홈의 펌핑 작용을 이용하여, 저압 유체측으로 누설되고자 하는 피밀봉 유체를 피밀봉 유체측으로 되돌림으로써, 슬라이딩면의 시일 기능을 향상시키는 기술이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
그러나, 상기 기술은, 일정한 회전수 이상이 되지 않으면 스파이럴 홈의 펌핑 작용이 발휘되지 않기 때문에, 저속 회전의 기기에 있어서, 슬라이딩면에 스파이럴 홈을 마련해도 충분한 시일 효과를 얻을 수 없었다.
본 발명은, 저속 회전으로부터 펌핑 작용을 발휘할 수 있음과 동시에, 밀봉 기능 및 윤활 기능을 발휘할 수 있는 슬라이딩 부재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 슬라이딩 부재는,
슬라이딩면에서 서로 상대 슬라이딩하는 한 쌍의 슬라이딩 부재로서,
적어도 한쪽의 슬라이딩면은 동압 발생 기구를 구비하고, 상기 동압 발생 기구의 곡률은 당해 동압 발생 기구의 입구 개구부로부터의 유로 길이에 따라 증가하는 것을 특징으로 하고 있다.
이 특징에 의하면, 동압 발생 기구의 형상은, 동압 발생 기구의 입구 개구부에서 곡률이 작고(곡률 반경이 큼), 동압 발생 기구의 입구 개구부로부터의 유로 길이에 비례하여 곡률이 커진다(곡률 반경이 작음). 이에 따라, 유체가 동압 발생 기구로 유입되는 각도와, 동압 발생 기구의 입구 개구부의 각도의 차를 작게 할 수 있다. 또한, 동압 발생 기구 내에 있어서의 유체의 회전 방향 속도가 유로 하류측으로 흐름에 따라 효율 좋게 반경 방향 속도로 변환된다. 이에 따라, 유체가 동압 발생 기구의 입구 개구부로 유입될 때의 유입 손실을 작게 할 수 있음과 동시에, 저속 회전시부터 펌핑 작용을 발생시킬 수 있다.
본 발명의 슬라이딩 부재는,
상기 슬라이딩면의 내주연과 상기 동압 발생 기구의 입구 개구부가 이루는 각도가 0° 내지 45°로 설정되는 것을 특징으로 하고 있다.
이 특징에 의하면, 슬라이딩면(S)의 내주연(5b)과 동압 발생 기구의 입구 개구부가 이루는 각도(θ1)를 0°≤θ1≤45°로 함으로써, 유체가 동압 발생 기구로 유입될 때의 유입 손실을 매우 작게 할 수 있다.
본 발명의 슬라이딩 부재는,
상기 유로의 형상이 이하의 식으로 나타나는 것을 특징으로 하고 있다.
단, P는 상기 동압 발생 기구 상의 점의 위치 벡터, P0는 상기 동압 발생 기구의 상기 입구 개구부의 위치 벡터, s는 P0에서 P까지의 유로 길이, h는 상기 동압 발생 기구의 유로의 전체 길이, S는 s를 h로 정규화한 것, φ는 P에 있어서의 접선 방향각, i=√-1은 허수 단위, φ0는 P0에 있어서의 접선 방향각, φv는 φ0를 갖는 길이 h의 원호에 있어서 h에 있어서의 φ0에 대한 접선각의 증분, φu는 h에 있어서의 φv에 대한 접선각의 증분이다.
이 특징에 의하면, 상기 식에 의해 용이하게, 유체가 동압 발생 기구의 입구 개구부로 유입될 때의 유입 손실을 작게 할 수 있음과 동시에, 저속 회전시부터 펌핑 작용을 발생시킬 수 있다.
본 발명의 슬라이딩 부재는,
상기 유로는, 일단이 누설측에 연통함과 동시에 타단이 랜드부에 둘러싸여 있는 것을 특징으로 하고 있다.
이 특징에 의하면, 동압 발생 기구는 저속시부터 펌핑 작용을 발휘하기 때문에, 저속시에 있어서 동압 발생 기구에 의한 동압이 충분히 발생하고 있지 않을 때라도, 동압 발생 기구로 유입된 유체는 쐐기 효과에 의해 정압을 발생시킬 수 있기 때문에, 저속 회전시부터 슬라이딩면을 유체 윤활 상태로 유지할 수 있다.
본 발명의 슬라이딩 부재는,
상기 유로는, 홈부로 이루어지는 것을 특징으로 하고 있다.
이 특징에 의하면, 홈부에 의해 동압 발생 기구를 용이하게 구성할 수 있다.
본 발명의 슬라이딩 부재는,
상기 유로는, 복수의 딤플로 이루어지는 딤플군으로 이루어지는 유사 유로인 것을 특징으로 하고 있다.
이 특징에 의하면, 딤플군에 의해 동압 발생 기구를 용이하게 구성할 수 있다.
[도 1]본 발명의 슬라이딩 부재를 구비하는 메커니컬 시일의 일례를 나타내는 종단면도이다.
[도 2]도 1의 W-W의 화살표 방향에서 보았을 때 슬라이딩 부재의 슬라이딩면을 나타내는 도면이다.
[도 3]본 발명의 동압 발생 기구와 종래의 스파이럴 형상의 동압 발생 기구의 차이를 설명하는 도면이다.
[도 2]도 1의 W-W의 화살표 방향에서 보았을 때 슬라이딩 부재의 슬라이딩면을 나타내는 도면이다.
[도 3]본 발명의 동압 발생 기구와 종래의 스파이럴 형상의 동압 발생 기구의 차이를 설명하는 도면이다.
이하에 도면을 참조하여, 본 발명을 실시하기 위한 형태를, 실시예에 기초하여 예시적으로 설명한다. 단, 이 실시예에 기재되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대적 배치 등은, 특별히 명시적인 기재가 없는 한, 본 발명의 범위를 그들에만 한정하는 취지의 것은 아니다.
도 1~도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 슬라이딩 부재에 대해서, 슬라이딩 부재의 일례인 메커니컬 시일에 대해서 설명한다. 실시예 1에 있어서는, 메커니컬 시일을 구성하는 슬라이딩 부재의 외주측을 피밀봉 유체측, 내주측을 누설측으로 하여 설명한다.
도 1의 메커니컬 시일(1)은, 회전축(9)측에 장착된 슬리브(2)와 일체로 회전 가능한 회전측 밀봉환(3), 또한, 케이싱(4)에 대하여 축방향 이동 가능하고, 회전 불능한 상태로 마련된 다른 한쪽의 슬라이딩 부품인 원환상의 고정측 밀봉환(5)과, 고정측 밀봉환(5)을 축방향으로 부세(付勢)하는 코일드 웨이브 스프링(6)과, 고정측 밀봉환(5)을 시일하는 벨로우즈(7)를 구비하고, 경면 마무리된 슬라이딩면(S)끼리 밀접 슬라이딩하게 되어 있다.
이 메커니컬 시일(1)은, 회전측 밀봉환(3) 및 고정측 밀봉환(5)은 반경 방향으로 형성된 슬라이딩면(S)을 갖고, 서로의 슬라이딩면(S)에 있어서, 피밀봉 유체가 슬라이딩면(S)의 외주측으로부터 내주측의 누설측으로 유출되는 것을 방지하는 것이다.
또한, 도 1에서는, 회전측 밀봉환(3)의 슬라이딩면의 폭이 고정측 밀봉환(5)의 슬라이딩면의 폭보다 넓은 경우를 나타내고 있지만, 이에 한정되는 일 없이, 반대의 경우에 있어서도 본 발명을 적용할 수 있는 것은 물론이다.
회전측 밀봉환(3) 및 고정측 밀봉환(5)의 재질은, 내마모성이 우수한 탄화 규소(SiC) 및 자기 윤활성이 우수한 카본 등으로부터 선정되지만, 예를 들면, 양자가 SiC, 혹은, 회전측 밀봉환(3)이 SiC이며 고정측 밀봉환(5)이 카본인 조합이 가능하다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 고정측 밀봉환(5)의 슬라이딩면(S)에는 동압 발생 기구(11)가, 소정수(도 2의 실시예에서는 18개) 배설(配設)되어 있다. 동압 발생 기구(11)는, 슬라이딩면(S)의 누설측을 향하여 볼록해지는 호상(弧狀)의 홈부이며, 누설측의 주연(5b)으로 개구하는 입구 개구부(11a)를 통하여, 누설측에 연통함과 동시에, 피밀봉 유체측은 랜드부에 의해 둘러싸이는 지단부(止端部; 11b)를 갖고, 피밀봉 유체측과 격리되어 있다.
동압 발생 기구(11)는, 입구 개구부(11a)(상류)로부터 지단부(11b)(하류)를 향하여, 동압 발생 기구(11)의 곡률이 연속적으로 증가하는 형상을 갖는다. 극좌표계로 나타낸 동압 발생 기구(11)의 중심선의 형상은, 이하의 식 (1)~식 (3)으로 나타난다.
단, P0는 시점(동압 발생 기구(11)의 입구 개구부(11a))의 위치 벡터, P는 동압 발생 기구(11) 상의 점의 위치 벡터, s는 P0에서 P까지의 곡선의 길이(m), h는 동압 발생 기구(11)의 유로의 전체 길이(m), S는 길이 s를 유로의 전체 길이 h로 정규화한 것, φ는 동압 발생 기구(11)의 P에 있어서의 접선 방향각(rad), i=√-1은 허수 단위, φ0는 초기 방향(P0에 있어서의 동압 발생 기구(11)의 접선 방향각(rad)), φv는 초기 방향 φ0를 갖는 길이 h의 원호의 h에 있어서의 φ0에 대한 접선각의 증분(rad), φu는 동압 발생 기구(11)의 h에 있어서의 φv에 대한 접선각의 증분(rad)이다. 즉, h(S=1)에 있어서의 접선 방향각φ=φ0+φv+φu이다.
예를 들면, 동압 발생 기구(11)는 상기 4개의 파라미터 h, φ0, φv, φu에 의해 정할 수 있다. 또한, φ0 및 φv가 모두 0일 때, 등각 나선과 일치한다. φv, φu가 정(正)의 값일 때 슬라이딩면(S)의 누설측을 향하여 볼록한 곡선이 된다. 본 발명에 있어서의 동압 발생 기구(11)의 형상을 정하기 위해, 0≤φv≤2, 0≤φu≤2의 범위에서 설정한다. 또한, φv, φu가 부(負)의 값일 때 슬라이딩면(S)의 누설측을 향하여 오목한 곡선이 된다. 도 3A는, 식 (1)~식 (3)을 사용하여, φ0가 0이라고 했을 때의 벡터를 사용하여 동압 발생 기구(11)의 형상을 정한 것이다. 즉, 동압 발생 기구(11)의 형상은, 동압 발생 기구(11)의 입구 개구부(11a)에서 곡률이 작고(곡률 반경이 큼), 동압 발생 기구(11)의 입구 개구부(11a)로부터의 유로 길이에 따라 곡률이 커지도록(곡률 반경이 작음) 설정되어 있다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 상대측의 슬라이딩 부재(회전측 밀봉환(3))가 소정 방향(도 3에서는 시계 방향)으로 회전하면, 유체는, 그 점성에 의해 회전측 밀봉환(3)의 이동 방향으로 추종하여 이동하고, 동압 발생 기구(11) 내로 유입된다. 예를 들면, 도 3A에 나타내는 바와 같이, 고정측 밀봉환(5)으로부터 유체의 흐름을 관찰하면, 동압 발생 기구(11)로 유입되는 유체의 속도(Vi)는, 회전측 밀봉환(3)의 회전 속도에 따른 둘레 방향 속도(u)와, 동압 발생 기구(11)의 펌핑 작용에 의한 지름 방향 속도(Vp)를 합성한 것이 된다.
도 3A에 있어서, 둘레 방향 속도(u)의 영향이 크고, 지름 방향 속도가 작기 때문에 유체가 동압 발생 기구(11)로 유입되는 각도(α)는 매우 작다. 한편, 동압 발생 기구(11)의 입구 개구부(11a)에 있어서의, 초기 곡률이 0으로 설정되어 있기 때문에, 슬라이딩면(S)의 내주연(5b)과 동압 발생 기구(11)의 볼록측의 면이 이루는 각도, 즉 동압 발생 기구(11)의 입구 개구부(11a)의 입구 각도도 0이 된다. 이에 따라, 유체가 동압 발생 기구(11)로 유입되는 각도(α)와, 동압 발생 기구(11)의 입구 개구부(11a)의 각도의 차는 매우 작아지기 때문에, 유체가 동압 발생 기구(11)의 입구 개구부(11a)로 유입될 때의 유입 손실을 작게 할 수 있다. 또한, 동압 발생 기구(11) 내에 있어서의 유체의 둘레 방향 속도(u)는, 유로 하류측으로 감에 따라 효율 좋게 지름 방향 속도(Vp)로 변환되기 때문에, 저속 회전시부터 누설측으로부터 슬라이딩면(S) 내로 유체를 흡입하는 펌핑 작용을 발생시킬 수 있다.
한편, 도 3B는 종래의 스파이럴 형상을 갖는 동압 발생 기구(12)로 유체가 유입되는 상태를 나타낸다. 스파이럴 형상을 갖는 동압 발생 기구(12)의 경우에는, 유체가 동압 발생 기구(12)로 유입되는 각도(α)와, 동압 발생 기구(12)의 입구 개구부(11a)의 각도(θ2)의 차는, 매우 커지기 때문에, 유체가 동압 발생 기구(12)로 유입될 때의 유입 손실은 매우 커진다. 이 때문에, 누설측으로부터 슬라이딩면(S) 내로 유체를 흡입하는 펌핑 작용은, 고속 회전이 되지 않으면 발생하지 않는다.
이와 같이, 본 발명의 동압 발생 기구(11)를 갖는 슬라이딩 부재는, 회전측 밀봉환(3)이 회전을 개시하면 저회전시(10rpm 정도)부터 펌핑 작용을 발휘하여 누설측으로부터 유체를 흡입하여, 저압 유체측으로 누설되고자 하는 피밀봉 유체를 피밀봉 유체측으로 되돌릴 수 있기 때문에, 밀봉 성능을 향상할 수 있다. 특히, 슬라이딩면(S)의 내주연(5b)과 동압 발생 기구(11)의 입구 개구부(11a)가 이루는 각도(θ1)를 0°≤θ1≤45°, 바람직하게는 0°≤θ1≤10°로 함으로써, 유체가 동압 발생 기구(11)로 유입될 때의 유입 손실을 매우 작게 할 수 있다. 여기에서, θ1은 식 2의 φ0에 상당한다.
또한, 동압 발생 기구(11)는 저속시부터 펌핑 작용을 발휘하기 때문에, 저속시에 있어서 동압 발생 기구(11)에 의한 동압이 충분히 발생하고 있지 않을 때라도, 동압 발생 기구(11)의 지단부(11b)에 있어서의 쐐기 효과에 의해 정압을 발생시킬 수 있기 때문에, 저속 회전시부터 슬라이딩면(S)을 유체 윤활 상태로 유지할 수 있다.
이상 서술한 바와 같이, 본 발명의 슬라이딩 부재는 이하의 효과를 나타낸다.
1. 동압 발생 기구(11)의 곡률이 입구 개구부(11a)로부터의 동압 발생 기구(11)의 유로 길이에 비례하여 증대하는 형상으로 설정되기 때문에, 유체가 동압 발생 기구(11)로 유입되는 각도(α)와, 동압 발생 기구(11)의 입구 개구부(11a)의 입구 각도의 차를 매우 작게 설정할 수 있기 때문에, 유체가 동압 발생 기구(11)로 유입될 때의 유입 손실을 매우 작게 할 수 있다. 또한, 동압 발생 기구(11) 내에 있어서의 유체의 둘레 방향 속도(u)는, 유로 하류측으로 감에 따라 효율 좋게 지름 방향 속도(Vp)로 변환되기 때문에, 저속 회전시부터 누설측으로부터 슬라이딩면(S) 내로 유체를 흡입하는 펌핑 작용을 발생시킬 수 있다.
2. 동압 발생 기구(11)를 식 (1) 내지 (3)의 형상을 갖도록 설정함으로써, 용이하게 저손실의 동압 발생 기구(11)를 설계할 수 있다.
3. 동압 발생 기구(11)는 저속시부터 펌핑 작용을 발휘하기 때문에, 저속시에 있어서 동압 발생 기구(11)에 의한 동압이 충분히 발생하고 있지 않을 때라도, 동압 발생 기구(11)의 지단부(11b)에 있어서의 쐐기 효과에 의해 정압을 발생시킬 수 있기 때문에, 저속 회전시부터 슬라이딩면(S)을 유체 윤활 상태로 유지할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예를 도면에 의해 설명했지만, 구체적인 구성은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서의 변경이나 추가가 있어도 본 발명에 포함된다.
상기 실시예에 있어서, 동압 발생 기구(11)는 홈부로 구성했지만, 이에 한정하지 않는다. 예를 들면, 미소한 딤플을 근접하게 배치한 유사 유로로 동압 발생 기구를 구성해도 좋다.
외주측이 피밀봉 유체측, 내주측을 누설측으로 하고 있지만, 이에 한정하지 않고, 내주측이 피밀봉 유체측, 외주측이 누설측인 경우도 적용 가능하다. 예를 들면, 동압 발생 기구(11)의 입구 개구부(11a)를 슬라이딩면의 외주연으로 하고, -2≤φv≤0, -1≤φu≤0의 범위에서 설정함으로써, 동압 발생홈(11)을 정할 수 있다.
또한, 동압 발생 기구(11)를 고정측 밀봉환(5)의 슬라이딩면(S)에 마련했지만, 회전측 밀봉환(3)의 슬라이딩면(S)에 마련해도 좋다.
1 메커니컬 시일
2 슬리브
3 회전측 밀봉환
5 고정측 밀봉환
6 코일드 웨이브 스프링
7 벨로우즈
8 패킹
9 케이싱
10 회전축
11 동압 발생 기구
11a 입구 개구부
11b 지단부
12 동압 발생 기구
S 슬라이딩면
2 슬리브
3 회전측 밀봉환
5 고정측 밀봉환
6 코일드 웨이브 스프링
7 벨로우즈
8 패킹
9 케이싱
10 회전축
11 동압 발생 기구
11a 입구 개구부
11b 지단부
12 동압 발생 기구
S 슬라이딩면
Claims (8)
- 슬라이딩면에서 서로 상대 슬라이딩하는 한 쌍의 슬라이딩 부재로서,
적어도 한쪽의 슬라이딩면은, 누설측을 향하여 볼록 모양의 만곡 형상으로 연장 설치됨과 아울러, 입구 개구부로부터 둘레 방향으로 상대 회전 방향을 향하여 연장 설치된 동압 발생 기구를 구비하고, 상기 동압 발생 기구의 곡률은, 당해 동압 발생 기구의 상기 입구 개구부로부터의 유로 길이에 따라 상기 동압 발생 기구의 타단까지 연속적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재. - 제1항에 있어서,
상기 슬라이딩면의 주연과 상기 동압 발생 기구의 입구 개구부가 이루는 각도는 0° 내지 45°로 설정되는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 동압 발생 기구의 형상은 이하의 식으로 나타나는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
단, P는 상기 동압 발생 기구 상의 점의 위치 벡터, P0는 상기 동압 발생 기구의 상기 입구 개구부의 위치 벡터, s는 P0에서 P까지의 유로 길이, h는 상기 동압 발생 기구의 유로의 전체 길이, S는 s를 h로 정규화한 것, φ는 P에 있어서의 접선 방향각, i=√-1은 허수 단위, φ0는 P0에 있어서의 접선 방향각, φv는 φ0를 갖는 길이 h의 원호에 있어서 h에 있어서의 φ0에 대한 접선각의 증분, φu는 h에 있어서의 φv에 대한 접선각의 증분이다. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 동압 발생 기구는, 일단이 누설측에 연통함과 동시에 타단이 랜드부에 둘러싸여 있는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재. - 삭제
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 동압 발생 기구는, 랜드부에 둘러싸여 있는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 동압 발생 기구는, 홈부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 동압 발생 기구는, 복수의 딤플로 이루어지는 딤플군으로 이루어지는 유사 유로인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
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